KR101392480B1 - 아연과 이트륨이 첨가된 마그네슘 합금의 압출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연(Zn)과 이트륨(Y)을 첨가한 마그네슘 합금빌렛을 압출하는 방에 관한 것으로서,
아연2.5~6중량%와 이트륨0.3~1.3중량%로 그 총량이 2.8~7중량% 혼합첨가되어 고온석출물을 형성함으로써 소성가공성을 개선한 압출용 마그네슘 합금 빌렛을 250~450℃에서 1분/mm 이상 확산풀림을 행하는 단계와, 상기 확산풀림이 행하여진 빌렛 표면의 칠조직을 제거하는 단계와, 상기 칠조직이 제거된 빌렛을 250~450℃에서 2~5시간 예열하여 유지하는 단계와, 상기 예열된 빌렛을 압출콘테이너에서 압출다이스를 통하여 형재로 압출성형하는 단계로 이루어진 마그네슘 합금 형재의 압출방법을 특징으로 하며,
본 발명에 따르면, 연성이 낮아 압출시 표면에 결함이 발생되는 마그네슘 합금을 결함없이 압출하는 것이 가능하고, 저압의 압출압력으로도 형재 가공이 가능하며, 이에 따라 휴대용 가전제품이나 자동차, 항공기 부품 등에 적용되어 경량화하는데 유용하게 이용되는 마그네슘 합금 압출재를 품질이 우수하면서도 저렴하게 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

아연과 이트륨이 첨가된 마그네슘 합금의 압출방법{Extrusion method of magnesium alloy with zink and ytrium}

본 발명은 아연(Zn)과 이트륨(Y)을 첨가한 마그네슘 합금빌렛을 압출하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 기계가공성은 양호하지만 소성가공성이 좋지 않은 마그네슘 주조조직에 아연과 이트륨을 적정량 혼합 첨가하여 고온석출물을 형성함으로서 소성가공성을 개선하고, 이렇게 소성가공성이 개선된 합금의 조직을 미세조직으로 변형하도록 압출조건을 도출하여 더욱 소성가공성을 향상시킴으로써 저압의 압출압력으로도 압출가공이 가능하도록 한 마그네슘 합금 빌렛의 압출방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 마그네슘 합금은 현재 실용화되고 있는 금속재료 중 가장 경량의 금속으로 한층 더 경량화를 달성하려는 금속재료 사용처에 있어서 알루미늄을 대체하여 각종 부품의 재료로 급속히 그 사용이 확대되고 있으며, 또한, 환경에 대한 이슈로 리사이클링에 많은 문제가 있는 플라스틱을 대체하여 전자제품에의 수요가 급격히 늘고 있는 추세이다.

마그네슘 합금은 상용되고 있는 구조용 합금 가운데 가장 가벼운 밀도인 1.74g/cc을 가지고 있으며, 이는 알루미늄의 2/3에 해당된다. 또, 마그네슘 합금은 우수한 기계 가공성과 높은 진동 감쇠성, 진동 및 충격에 대한 탁월한 흡수성, 우수한 전자파 차단 기능 등을 구비하고 있다. 또한, 최근 급속히 마그네슘 합금이 컴퓨터나 휴대전화, 자동차 부품 등으로 확대되는 이유는 경량성, 재생성의 우수함과 함께 전자파에 대한 차폐능력을 가지고 있으며, 얇은 형재로서의 성형이 가능하기 때문이다.

이를 통해 볼 때 마그네슘 합금은 최근 소비자들로부터 인기를 얻고 있는 휴대용 전자제품의 구조재로 더할 나위 없이 좋은 소재임을 알 수 있다.

일반적으로 휴대용 전자제품 내장 구조재, 자동차 부품 또는 항공기 부품 등의 재료는 경량성과 고강도성, 고인성, 고성형성이 요구된다.

그런데 마그네슘은 소성변형에 필수적인 슬립시스템이 적은 조밀육방격자 구조를 지니고 있어 압출성이나 성형성이 나빠 주조에 의한 성형이 주로 이루어 졌다.

그러나 사형주조는 형상에 많은 제약이 따르고, 다이캐스팅에 의한 성형은 그 특성상 주조조직이 다공성이므로 후속되는 표면처리 공정에서 많은 문제를 야기한다. 그러던 중 알루미늄과 아연 또는 망간을 합금한 AZ31, AM20등의 재료가 개발되면서 단상고용체의 연성을 이용한 소성 가공이 어느 정도 가능하게 되었다.

그런데 이들은 가공성이 우수하고 연성이 풍부함에도 불구하고 단상 고용체에 400℃이하 저융점인 공정상들을 포함하고 있게 된다. 따라서 일방향으로 소성변형되는 판재나 형재의 경우 이방성이 강하고 가공경화능이 적어 실제적으로는 소성가공성에 문제가 많아 상용화가 느리게 진행되고 있다.

즉, 압출에서는 350℃이상 온도에서 압출할 경우 다이와의 마찰열로 표면에 미세한 균열들이 지문처럼 존재하는 표면결함이 나타나 깨끗하고 결함없는 제품을 얻기가 어려웠다. 이런 미세한 주름형태의 표면균열들은 피로강도를 저하시키므로 제거해야 하는데 실제 현장에서는 비용문제 등으로 제거가 용이하지 않다.

이런 문제를 해결하기 위해 마그네슘합금 분말을 이용하여 액상과 고상 공존영역에서 사출하는 식소몰딩(Thixo-moulding)법이 제안되었다. 그러나 이는 다이캐스팅과 마찬가지로 다공성 조직이 얻어지며 원료분말의 가격이 높아 제조원가가 높아지는 단점 때문에 널리 응용되지 않고 있다.

또한, 소성가공이 가능한 체심입방격자 구조로 변환하여 소성가공성을 개선한 리튬첨가 합금이 있다. 리튬은 마그네슘에 대한 고용도가 크고 효과가 있다. 하지만 온도에 따른 고용도의 차이가 작고 격자상수의 차이가 작아 5~20중량%의 다량을 첨가해야 효과가 있다. 그리고 상기 합금은 고가의 리튬을 다량 첨가해야 하고 특유의 전지반응 특성 때문에 실제로는 상용으로 이용되지 않고 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 많은 마그네슘 합금들이 새로 고안되었다.

그 중 대한민국 특허출원 제2001-0019353호 특허에서는 마그네슘 합금을 Mg-Zn-Y 합금의 조성으로 하여 Zn 1~10at%, Y 0.1~3 at% 의 조성범위인 결과를 소개하고 있다. 이 합금에서는 450℃이하의 고온에서 안정한 준결정상이 최고 30% 분포함으로 인해 열간성형성과 고온에서의 강도도 우수하다.

그러나 이 발명에서 기대하는 준결정상은 28원자%(47.7무게%)로 아연량이 충분히 많아야 생성되는데, 실제 용해에서는 아연량이 많아지면 비중에 의한 아연편석과 빌렛 냉각 중 금속간화합물인 준결정상의 균일한 석출이 쉽지 않다. 따라서 실험실의 작은 시편에서는 가능하지만 실용적 크기에서는 재료의 연성이 낮고 부위별로 품질이 불균일한 문제점이 발생하였다. 이 발명에서도 30mm의 인장시편으로 실험을 수행하여 통상의 인장시험편 크기에 비해 현저히 작았다.

그 밖에 많은 특허들이 급속 냉각에 의한 비정질 조직을 얻음으로써 고강도, 경량의 마그네슘합금 스트립을 얻는 방법을 소개하고 있다.

대한민국 특허출원 제1993-846호 '고강도 마그네슘 기재 합금'과, 일본 공개특허 평05-70880호 '고강도 마그네슘 합금재료와 그 합금의 제조방법', 일본공개특허 평06-41701호 '고강도 아몰퍼스 마그네슘 합금 및 그 제조방법', 일본공개특허 평07-54026호 '고강도 마그네슘 합금 및 그 제조방법', 그리고 미국특허 제4675157호, 미국특허 제4765954호, 미국특허 제4853035호, 미국특허 제4857109호, 미국특허 제4938809호, 미국특허 제5071474호, 미국특허 제5078806호, 미국특허 제5078807호, 미국특허 제5087304호, 미국특허 제5129960호, 미국특허 제5316598호 특허들은 모두 급속 냉각에 의해 비정질 조직을 포함하게 되는데, 비정질화 되지 않은 조직들은 취성이 강한 금속간화합물이나 공정상을 포함함으로써 압연 가공이나 프레스 성형이 어려운 단점을 가지고 있다.

또 미국특허 제4908181호, 미국특허 제5139077호, 미국특허 제5143795호, 미국특허 제5250124호, 미국특허 제5647919호, 미국특허 제6139651호는 본 발명과 같은 압출가공용 재료가 아닌 주조용 합금을 소개하고 있다. 이 재료들은 합금원소를 첨가하여 다량의 금속간화합물을 포함하는 2상 복합조직으로서 주조상태에서 높은 강도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.

그러나 이런 합금을 판재나 형재와 같이 얇은 형태로 적용하게 되면 응력이 집중되는 부위에서 상대적으로 강도가 낮은 상이 먼저 집중적으로 소성변형을 일으켜 결국 균열이 발생하게 된다. 뿐만 아니라 취성이 강한 금속간화합물이 많아 소성가공이나 프레스 성형에 적합하지 않다.

최근에 와서 이런 문제를 극복하기 위해 소성가공성을 개량한 마그네슘합금을 개발하거나 기존의 소재를 용이하게 소성가공할 수 있는 기술들이 개발되고 있다.

본 발명자들이 개발한 등록특허 10-0509648은 소성가공성이 우수한 마그네슘합금을 소개하고 있다. 그러나 이 특허 내용에서는 판재를 압연하기 위한 공정이 언급되기는 하였으나, 압출방법에 대해서는 구체적으로 소개하지 못하여 오랜 기간 상용화가 진행되지 못했다.

또한 본 발명자의 다른 등록특허 10-0605741에서는 마그네슘에 아연, 이트륨, 알루미늄 등을 첨가한 합금의 압출조건에 대해 소개하긴 했지만 1000kg/㎠ 이하 압력에서 작업하는 통상의 압출기보다 압출압력이 5배 이상인 고압의 압출기를 활용해야 하는 단점이 있었다.

위에 소개한 방법들 외에 ECAP, ECAE와 같이 다이 내에서 각도를 바꾸는 채널을 거쳐 높은 소성가공비로 가공하는 방법으로 난가공재를 가공하는 기술이 개발되었지만 다이 구조가 복잡하고 높은 가압력을 요구하므로 압출재의 크기와 생산성이 제한되어 일반적으로 상용화하기에는 아직 어려운 방식이다.

또한, 종래의 압출용 다이는 도1에 나타난 바와 같이 압출 콘테이너(1)에 캐비티(3)가 형성된 다이(2)가 결합된 상태로 되어 있는데, 빌렛(4)이 다이(2)와 평면으로 접촉하면서 램(5)의 압력에 의해 캐비티(3)를 통하여 성형되기 때문에 다이 입구에서 대략 60도각 이하로 유동이 일어나며, 이러한 관계로 양측에 사각지대(6)가 형성되고, 이곳에서는 재료의 유동이 일어나지 않아 압출품의 품질의 불균일이 일어나고 변형이 발생하는 원인이 된다. 뿐만 아니라 압출압력이 높아져 압출기의 대형화를 필요로 하는 문제가 있다.

한국공개특허공보 2002-0078936호. 2002. 10. 19.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 제거하기 위하여 창출된 것으로서 마그네슘에 아연과 이트륨을 적정량 첨가하여 고온석출물을 형성함으로서 가공경화성이 크지만 연성이 낮아 소성가공이 어려운 마그네슘 합금 빌렛을 부위별로 품질이 균질하게 하여 균열이 발생하지 않도록 하고, 저압의 압력에서도 압출이 가능하도록 한 마그네슘 합금 형재의 압출방법과, 유동응력을 감소시켜 사각지대를 최소화한 압출다이스를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아연과 이트륨이 중량%로 7% 이하 혼합첨가되어 고온석출물을 형성함으로써 소성가공성을 개선한 압출용 마그네슘 합금 빌렛을 250~450℃에서 1분/mm 이상 확산풀림을 행하는 단계와, 상기 확산풀림이 행하여진 빌렛 표면의 칠조직을 제거하는 단계와, 상기 칠조직이 제거된 빌렛을 250~450℃에서 2~5시간 예열하여 유지하는 단계와, 상기 예열된 빌렛을 압출콘테이너에서 압출다이스를 통하여 형재로 압출성형하는 단계로 이루어진 마그네슘 합금 형재의 압출방법을 특징으로 하며,

상기 압출성형단계는 압출 콘테이너를 250~400℃로 가열한 상태에서 압출압력: 1000kg/㎠ 이하, 압출속도: 100~200mm/분, 압출비: 10:1~100:1로 압출하는 것을 특징으로 하며,

상기 압출단계에서 사용되는 압출용 다이스는 캐비티의 단면적이 단계적으로 줄어드는 여러 단계의 다이가 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 캐비티의 단면적이 압출 빌렛의 단면적보다 50% 이상 줄인 형상으로서 압출콘테이너의 출측에 결합되는 입측다이와,

캐비티 단면적 형상이 상기 입측다이의 캐비티보다 단면적이 50% 이상 작게 줄이도록 된 최종제품의 단면적과 동일한 형상으로서 입측다이의 외측에 결합되는 출측다이로 구성되는 마그네슘 합금 압출용 다이스를 특징으로 하며,

필요시 상기 입측다이의 외측과 출측다이의 내측 사이에 결합되는 중간다이를 추가하여 소성 변형이 원활하게 이어지도록 하며, 상기 중간다이의 캐비티는 한 개 이상으로 구성되며 단면적이 상기 입측다이의 캐비티 단면적에서 단계적으로 감소하되 총 감소율이 50% 이상 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 입측다이 및 중간다이의 캐비티는 원활한 소성유동을 유도하기 위해 단면 끝부분이나 모서리의 단면적을 중간 부분보다 넓게 형성하여 소재유입량이 증가하는 것을 특징으로 하며,

상기 입측다이 및 중간다이의 캐비티는 출측다이의 압출재 단면적이 큰 캐비티 부위에 소재 유입량이 큰 것을 특징으로 하며

상기 입측다이의 입구에는 150도 이하의 유동각을 부여하거나 반경 5mm이상의 곡률을 부여하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연성이 낮아 압출시 표면에 결함이 발생되는 마그네슘 합금을 결함없이 압출하는 것이 가능하고, 저압의 압출압력으로도 형재 가공이 가능하며, 이에 따라 휴대용 가전제품이나 자동차, 항공기 부품 등에 적용되어 경량화하는데 유용하게 이용되는 마그네슘 합금 압출재를 품질이 우수하면서도 저렴하게 제공할 수 있는 효과가 있다.

도1 알루미늄 압출 다이의 예
도2 본 발명 일체형 압출 다이의 예
도3 본 발명 다단형 압출 다이의 예
도4 주조된 빌렛
도5-1 압출 다이(2단형의 입구측)
도5-2 압출 다이(2단형의 출구측)
도6 3단형 압출 다이의 캐비티 형태
도7 코일링된 압출재

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 압출성형방법은 아연2.5~6중량%와 이트륨0.3~1.3중량%로 그 총량이 2.8~7중량% 혼합 첨가되어있는 마그네슘 합금 빌렛을 250~450℃에서 1분/mm 이상 확산풀림(diffusion annealing)을 행하는 단계와, 상기 확산풀림이 행하여진 빌렛 표면의 칠조직을 제거하는 단계와, 상기 칠조직이 제거된 빌렛을 250~450℃에서 2~5시간 예열하여 유지하는 단계와, 상기 예열된 빌렛을 압출콘테이너에서 압출다이스를 통하여 형재로 압출성형하는 단계로 이루어진 마그네슘 합금 형재의 압출방법을 특징으로 하고 있는데,

여기에서 확산풀림(diffusion annealing)을 250~450℃ 온도구간에서 주조재의 단면 직경이나 두께에 따라 유지시간 1분/mm 이상 행하는 이유는 가열온도가 250℃보다 낮거나 유지시간이 1분/mm보다 짧으면 충분히 내부까지 가열되지 않아 압출가공 중에 다이에서 압출되지 않고 굳어 버리거나 표면과 모서리에 지문과 같은 잔주름형태의 미세 균열현상이 발생할 수 있고, 450℃보다 높으면 모서리 균열이 발생하기 때문에 제한하는 것이고,

상기 확산풀림이 끝나면 표면의 칠조직을 제거하는 기계가공을 행하는데, 그 이유는 칠부위는 과냉에 의해 합금원소가 적은 조성이 되어 기대하는 소성가공성을 얻지 못하는 조직이 되기 때문이다.

상기 칠조직이 제거된 빌렛을 250~450℃에서 2~5시간 예열하여 유지하는데, 그 이유는 예열 과정을 거치지 않고 압출 콘테이너에서 압출 다이스를 통과하면 마그네슘 빌렛의 소성가공성이 낮아 유압설비에 과부하가 걸리며 압출이 불가능하게 되기 때문이다.

상기 예열된 빌렛은 압출콘테이너에서 압출다이스를 통하여 형재로 성형하는 과정에서 압출콘테이너가 250~400℃로 가열된 상태에서 압출압력: 1000kg/㎠ 이하, 압출속도: 100~200mm/분, 압출비: 10:1~100:1로 압출하는데,

압출압력을 1000kg/㎠ 이하로 제한하는 이유는 종래의 마그네슘합금 빌렛은 압출하는 경우 1000㎏/㎠ 이상의 압력이 필요하여 소형 압출기로는 작업이 곤란하여 압출기의 유압이 6000톤 이상인 대형압출기를 필요로 하나 본 발명의 경우 1000㎏/㎠ 이하의 저압에서도 제조가 가능하여 통상 알루미늄 압출에 사용하는 소형의 압출기로 작업하는 것이 가능하기 때문이다.

또한 압출속도는 100~200mm/분, 압출비는 10:1~100:1의 범위일 때 뚜렷한 생산성 증가 효과가 있고, 그 범위를 벗어나는 경우에는 표면에 미세주름이나 휨변형이 심하게 발생하고, 유압설비에 과부하가 작용할 수 있기 때문에 제한한다.

또한, 본 발명의 압출용 다이스는 도2 및 도3에 나타난 바와 같이 압출용 컨테이너(1)에 다이(2)를 결합하되, 다이(2)는 캐비티(3)의 단면적이 단계적으로 줄어들게 설계된 것을 특징으로 한다. 특히 다이를 판상으로 하여 입측다이(A), 출측다이(C)로 분할하여 겹치거나 필요시 입측(A)과 출측(C) 사이에 중간다이(B)를 여러 장 추가하여 결합함으로서 캐비티(3)의 단면적이 단계적으로 줄어드는 형태로 한 것을 특징으로 한다.

일반적으로 마그네슘 합금과 같이 유동응력이 높은 재료는 다이를 통과할 때 빌렛과 다이의 마찰로 인해 압출재 표면온도가 과도하게 상승하며, 이 때 재료의 기지조직에 공존하는 저융점 공정상들이 용해되므로 압출다이를 통과하여 나오는 방향에 직각으로 잔주름 형태의 미세균열 결함이 발생한다.

이와 같은 결함을 줄이기 위하여 본 발명은 다이의 입구에 유동각 또는 곡률을 부여하거나 단계적으로 캐비티의 단면적을 줄여 나가도록 다이스를 구성하였는데, 이렇게 함으로서 다이에 접촉하는 빌렛의 마찰저항을 줄여 유동응력을 낮추어 소성유동이 용이하게 하여 사각지대를 줄이는 효과가 있고, 이에 따라 잔주름과 같은 미세표면 균열이 발생하는 현상이 현저히 줄어들게 된다.

본 발명에서 다단형 다이스를 사용하는 경우 도3에 도시한 바와 같이 각 판에서 압출비를 부여하여 단면을 점차 줄여나가 유동응력을 감소하게 한다.

또한 판상 다이는 소모가 심한 부분의 판만 교체하여 사용할 수 있고, 유사한 사이즈인 제품에서는 호환하여 사용할 수 있기 때문에 저렴한 재료로 제작하여 소모가 많은 부분만 교체함으로써 다이 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도3의 그림 아래에 각 판상 다이의 캐비티 단면형상을 도시하였다. 원통형 빌렛의 직경보다 폭이 넓은 판상 압출재를 압출할 경우를 예로 나타낸 것으로 제 1단 다이(입측다이 A-A')의 D는 빌렛의 직경과 같은 폭으로서 두께를 줄이는 다이이며, 제2단 다이(중간다이 B-B')에서는 폭을 넓히면서 두께를 줄인다. 제 3단 다이(출측다이 C-C')에서 원하는 폭으로 캐비티를 형성하게 된다.

또한, 도2에 도시한 바와 같이 일체형 다이입구에 150도 이하로 유동각(7)을 부여하거나 반경 5mm 이상의 곡률을 부여하여 사용할 수도 있는데, 유동각을 150도 미만으로 하거나 반경 5mm 미만의 곡률로 작업할 때는 유동응력이 커서 압출재의 표면에 미세균열이 나타나거나 압출속도를 100mm/min 미만으로 낮춰야 하므로 생산성이 저하하는 문제가 있기 때문이다.

이와같이 다이의 입구각도나 곡률형상과 부위별 캐비티의 단면적을 고려하여 각 부위의 캐비티 별로 압출비가 크게 차이나지 않도록 하면 유동응력이 적으면서도 성형이 원활하게 이루어지게 된다. 판상이 아닌 다양한 형재에서도 본 원리를 응용하여 압출할 수 있다.

본 실시예에 사용한 다이의 재료는 SS400으로 보편적인 철강재료이다. 물론 다이스강이나 공구강과 같은 고합금강을 사용할 수 있으나 본 마그네슘합금 압출에서는 마멸이 크게 발생하지 않고 소모되는 부위만 교체하므로 저렴하고 가공이 쉬운 일반 탄소강을 사용해도 충분하다.

도6은 이런 개념에서 제작한 광폭 압출 다이 캐비티 내에 잔류한 마그네슘 소재의 사진으로서 3단으로 구성된 다단형 다이의 캐비티의 내부를 나타낸 것이다. 이를 통해 본 발명 캐비티의 단면형상을 확인할 수 있다.

1단(입측)에서는 200mm 폭 직사각형의 캐비티에 양단은 둥근 아령모양 형태의 캐비티를 형성하여 양단의 소재 유동량을 늘린 형태이고, 2단(중간)에서는 대략 150도 이내 경사각을 부여하여 300mm 폭으로 확장된 형태로, 3단(출측)에서는 폭 250mm 두께 10mm인 판상의 캐비티를 형성하여 빌렛의 직경보다 넓은 폭의 압출재를 얻었다. 이같이 1단에서 빌렛의 단면적에 비해 50% 이상 작은 캐비티로 단면적을 줄이고, 2단에서도 1단 다이의 캐비티 단면적 보다 50% 이상 작은 캐비티로, 3단에서도 2단 캐비티의 단면적에 비해 50% 이상 작은 단면적인 캐비티를 형성하여 최종 압출비가 빌렛의 단면적에 비해 10:1 이상의 비율로 줄여진다. 여기에서 다이 캐비티의 단면적 감소율이 50% 미만이 되면 다음 다이에서 단면적 감소해야할 비율이 커져 압출비를 10:1 이상 얻기가 어려워지거나 다이 내부 일부에서 유동응력이 불균일하게 높아져 압출속도가 감소하고 압출품에 결함이나 변형이 발생할 수 있다. 또한 다이의 캐비티의 유동각이 150도를 초과하거나 캐비티 입구 측 코너의 곡률반경이 5mm이하일 때는 10:1 이상의 압출비로 작업할 때 유동응력이 커서 압출재의 표면에 미세균열이 나타나거나 압출속도가 100mm/min 미만으로 저하하는 문제가 있다.

일체형 다이를 채용하는 경우에는 도2에 나타내듯 다이의 캐비티에 유동각을 부여하고 입구에서 출구로 단면적을 줄여 나감으로써 유동응력을 줄일 수 있으며, 본 발명의 다단형 다이에서도 각 다이의 캐비티에 일정한 각도 및 곡률을 부여할 수 있다.

도5-1과 도5-2는 본 발명에서 두 장으로 구성된 다단형 압출 다이의 예이다.

압출 후에는 선별적으로 압출 중의 비틀림이나 휨을 교정하기 위해 스트레칭을 실시하거나 판상인 경우 도7과 같이 코일링을 실시하기도 한다.

다른 마그네슘합금의 경우는 교정 후 복원현상으로 인해 별도로 중간풀림을 한 뒤 스트레칭을 실시하지만 본 발명의 압출재는 우수한 소성가공성을 보유하므로 중간풀림없이도 스트레칭 교정이 가능하다. 그러나 중간풀림을 행하는 경우라 해서 본 발명의 범위에서 벗어나지는 않는다.

압출과 교정이 끝나면 필요에 따라 풀림을 행한다. 추가로 소성변형을 가하는 제품일 경우 풀림 공정을 거치면 연신율이 크게 증가하면서도 가공경화성 때문에 균일한 소성가공품을 얻을 수 있다.

풀림 다음에 원하는 크기로 절단하고, 필요한 경우 절단된 마그네슘합금 압출재를 상온에서 휨가공이나 추가 소성가공을 할 수도 있다.

(실시예)

표1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 마그네슘합금으로 직경 177~178mm의 사이즈 빌렛을 제조하여 압출재를 제조하였다. 이들은 압출비와 빌렛 가열온도, 압출압력 등 공정영향을 동일한 조건에서 확인하기 위해 모두 판재형태로 가공되었으나 다른 단면형상을 가지는 형재의 경우도 본 발명의 범주를 벗어나지 않는다.

실시예 1~6, 비교예 3~7의 빌렛은 중량%로 아연 2.8%, 이트륨 0.52% 나머지는 마그네슘으로 조성하였다. 비교예 1~2의 빌렛은 중량%로 알루미늄 3.1%, 아연 0.98%, 망간 0.18% 나머지는 마그네슘으로 조성된 AZ31합금이다. 실시예 7~12의 빌렛은 중량%로 아연 2.8%, 이트륨 0.47%, 망간 0.04% 나머지는 마그네슘으로 조성하였다.

실시예 13~15의 빌렛은 중량%로 아연 5.5%, 이트륨 0.85%, 알루미늄 1.4%, 망간 0.2% 나머지는 마그네슘으로 조성하였다.

비교예 8의 빌렛은 중량%로 아연 6.2%, 이트륨 1.5%, 망간 0.4%, 알루미늄 1.1% 나머지는 마그네슘으로 조성하였다.

이와 같은 조성의 빌렛 제조는 엘리베이터식 전기로에서 Ar에 SF₆를 부피비로 2~3% 혼합한 가스로 차폐한 스테인리스강 도가니에 마그네슘 지금을 넣어 용해하고, 마그네슘 용탕 온도를 650~850℃로 유지하여 아연지금과 저융점 합금 원소를 투입한 후, 아연지금이 모두 녹으면 용탕온도를 상승하여 700~850℃로 유지하면서, 무게비로 이트륨 25% 농도인 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 충분히 용해되도록 유지하고, 용탕에 모합금이 완전히 용해된 후 도가니를 엘리베이터로 인출하여 수냉조에 천천히 투입하면서 50℃/min 이상의 냉각속도로 빌렛 주형의 표면온도가 300℃ 이하로 냉각될 때까지 주형을 냉각하여 마그네슘 합금을 제조하였다.

실시예 1~6, 비교예 3~8은 1250톤 용량인 통상의 알루미늄용 압출기에서 작업하였고, 실시예 7~12와 비교예 1~2는 1270톤 용량인 압출기에서 작업함으로써 표1의 압력을 얻었다.

비교예 3, 4는 빌렛 가열온도가 240℃, 204℃로 250℃ 미만으로 가열되어 압출 중에 과다한 유동응력으로 소성가공이 불가능하여 작업을 중단하였다.

각 실시예와 비교예의 압출작업 결과를 표1을 통해 설명한다.

실시예 1~15는 모두 빌렛을 250~450℃의 온도로 3시간 가열유지하고, 압출비 10:1 이상의 비율로 압출하여 압출속도 100mm/min 이상의 속도를 얻었다. 이는 비교예 1~2에 나타낸 상용재료인 AZ31과 비교하여 동등한 가열조건에서 더 높은 압출속도를 얻을 수 있으므로 본 발명 합금의 소성가공성이 우수함을 알 수 있다.

또한 본 발명의 재료라 하더라도 비교예 3~7에 나타낸 바와 같이 압출 전 빌렛 가열온도가 250℃미만일 경우 압출속도가 낮아 생산성이 저하하고, 450℃를 초과할 경우에는 표면미세균열의 발생으로 불량제품이 될 우려가 있음을 알 수 있다. 그리고 비교예 8에서는 아연과 이트륨의 합이 7.7%로서 7% 이상 첨가된 마그네슘합금 빌렛에서는 고온석출물이 과다하여 압출 중에 오히려 유동응력이 증가하기 때문에 100mm/min 이상의 압출속도에서 표면균열이 발생함을 알 수 있다.

실시예 7의 압출재에서 시편을 채취하여 각 조건당 두 개의 시편을 인장시험하여 구한 결과는 다음과 같다. 압출상태의 시편에서는 평균값으로 인장강도 373MPa, 항복강도 350MPa, 연신율 10%를 얻었으며, 이 압출재를 300℃에서 15분 풀림처리한 경우는 인장강도 303MPa, 항복강도 237MPa, 연신율 28%를 얻었고, 압출재를 300℃에서 30분 풀림처리한 결과는 인장강도 299MPa, 항복강도 225MPa, 연신율 29%를 얻었다. 특히 풀림처리한 후의 곡선에서는 상하항복점이 나타났으며 이는 가공경화성과 연성이 우수한 재료에서 나타나는 현상으로 본 발명의 마그네슘합금 압출재가 우수한 소성가공성을 지니고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 마그네슘합금 압출재는 휴대용 가전제품이나 자동차, 항공기 부품 등에 적용되어 경량화하는데 유용하게 이용될 수 있다.

압출시험 결과

	압출사이즈 (mm)	압출비	빌렛가열온도(℃)	컨테이너 온도(℃)	압력 (kg/㎠)	램 스피드 (m/min)	작업 시간 (min)	압출속도 (mm/min)	판정결과
실시예1	100X4.5t	55:1	320	360	230	2.4	18	187	양호
실시예2	100X4.5t	55:1	318	351	235	0.87	29	116	양호
실시예3	100X4.5t	55:1	318	351	190	1.93	29	116	양호
실시예4	100X4.5t	55:1	309	354	220	0.93	18	187	양호
실시예5	100X4.5t	55:1	309	354	200	2.4	18	187	양호
실시예6	100X4.5t	55:1	309	354	180	2.4	18	187	양호
비교예1	100X4.5t	55:1	350	360	200	1	71	48	속도늦음
비교예2	100X4.5t	55:1	400	360	200	2.4	30	67	표면미세균열
실시예7	150X5t	33:1	280	360	200	1.56	17	119	양호
실시예8	150X5t	33:1	345	353	210	2.4	12	169	양호
실시예9	150X5t	33:1	345	353	200	2.67	12	169	양호
실시예10	150X5t	33:1	355	350	220	1.3	11	183	양호
실시예11	150X5t	33:1	355	350	200	2.67	11	183	양호
실시예12	150X5t	33:1	355	350	150	4	11	183	양호
비교예3	150X5t	33:1	240	320	210	1.3	-	-	작업불가
비교예4	150X5t	33:1	204	320	210	1	-	-	작업불가
비교예5	150X5t	33:1	460	370	150	0.67	30	67	표면미세균열
비교예6	150X5t	33:1	460	370	135	1	30	67	표면미세균열
비교예7	150X5t	33:1	460	370	120	1.87	30	67	표면미세균열
비교예8	150X5t	33:1	355	350	210	2.67	15	135	표면균열
실시예13	200X5.5t	23:1	400	380	250	2.38	7.5	184	양호
실시예14	200X5.5t	23:1	440	380	200	2.38	7.5	184	양호
실시예15	200X9t	14:1	400	380	220	1.93	5	169	양호

1: 압출콘테이너 2: 다이스 3: 캐비티 4: 빌렛 5: 램 6: 사각지대

Claims (9)

1. 아연2.5~6중량%와 이트륨0.3~1.3중량%로 그 총량이 2.8~7중량% 혼합 첨가되어있는 마그네슘합금 빌렛을 250~450℃에서 1분/mm 이상 확산풀림을 행하는 단계와, 상기 확산풀림이 행하여진 빌렛 표면의 칠조직을 제거하는 단계와, 상기 칠조직이 제거된 빌렛을 250~450℃에서 2~5시간 예열하여 유지하는 단계와, 상기 예열된 빌렛을 압출콘테이너에서 압출용 다이스를 통하여 형재로 압출성형하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 아연과 이트륨이 첨가된 마그네슘합금의 압출방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압출성형하는 단계는 압출콘테이너를 250~450℃로 가열한 상태에서 빌렛을 압출압력:1000kg/c㎡이하, 압출속도:100~200mm/분, 압출비: 10:1~100:1로 압출하는 것을 특징으로 하는 아연과 이트륨이 첨가된 마그네슘합금의 압출방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 압출성형하는 단계에서 사용되는 압출용 다이스는 다단형으로서 캐비티의 단면적이 단계적으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 아연과 이트륨이 첨가된 마그네슘 합금의 압출방법.
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